一种香菇分级采摘装置及方法

技术领域

本发明属于香菇采摘技术领域，尤其涉及一种香菇分级采摘装置及方法。

背景技术

香菇是一种广泛种植和消费的食用菌，也是世界上最常见的食用菌之一。其肉质鲜嫩、口感丰满，富含蛋白质、脂肪、矿物质和维生素等营养成分，因此备受人们喜爱，广泛应用于各种烹饪中。由于香菇市场需求巨大，其种植规模也相应庞大。然而，目前香菇产业的智能化水平相对较低，生产过程相对繁琐且依赖大量人工操作。这导致生产成本较高、生产效率较低，并且人工采摘和分级容易受到主观因素的影响，从而降低了香菇的生产质量。

现有的香菇采摘机器人大多仅能通过机械爪抓取菌棒上的香菇，无法自主移动或处理菌棒的放置。而且，常用的机械爪通常由硬度较高的塑料或金属制成，在采摘过程中容易对香菇造成损伤。另外，香菇的分级需要依赖复杂的图像处理算法，仅依靠机器人很难同时实现智能采摘和分拣。

发明内容

针对现有技术中的缺陷或不足，本发明提供了一种香菇分级采摘装置及方法，能够准确识别成熟的香菇并实施智能化采摘，并实现快速、准确地对香菇进行分级和分拣操作。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种香菇分级采摘装置，包括移动底盘，所述移动底盘上设置有升降支架，所述升降支架上滑动连接有菌棒取放装置和香菇采摘装置，所述香菇采摘装置位于在菌棒取放装置上方，所述香菇采摘装置下方设置有香菇分级装置，所述香菇分级装置固定在移动底盘上，菌棒取放装置与香菇分级装置之间通过尼龙布风管相连。

进一步地，所述升降支架顶端两侧设置有升降装置，所述升降装置包括第一驱动电机，所述第一驱动电机的输出轴固定连接有绕线轴，所述绕线轴与皮带的一端相连，皮带的另一端固定在菌棒取放装置上。

进一步地，所述菌棒取放装置包括支撑横架和支撑竖架，支撑横架与支撑竖架垂直设置，所述支撑横架的两侧滑动连接有滑杆，所述滑杆上设置有滑杆气缸，所述滑杆气缸一端与滑杆相连，另一端与支撑竖杆固定连接，所述滑杆通过打印件连接有回转压紧气缸，所述回转压紧气缸的输出轴上连接有转板。

进一步地，所述支撑横架中部设置有菌棒凹槽，所述菌棒凹槽的截面为U形，其两侧焊接固定在支撑横架上，所述菌棒凹槽靠近支撑竖架的一端底部开设有放置口，所述放置口通过尼龙布风管与香菇分级装置相连。

进一步地，所述支撑竖架上平行设置有两个推动气缸，两个推动气缸的伸缩轴端部通过推板相连。

进一步地，所述香菇采摘装置包括第一支撑板，所述第一支撑板上滑动连接有第二滑块，所述第二滑块通过采摘连接板与微型气缸相连，所述微型气缸的伸缩轴固定连接有手指连接片，所述手指连接片上对称设置有多个软体手指。

进一步地，所述香菇分级装置包括第二支撑板，所述第二支撑板上滑动连接有第三滑块，所述第三滑块通过管道连接板与尼龙布风管相连。

进一步地，所述移动底座包括底座框架与全向轮，所述全向轮设有多个，通过电机连接座固定在底座框架上，所述电机连接座上设置有第四驱动电机，所述第四驱动电机的输出轴与全向轮相连。

进一步地，所述移动底座中部设置有定位装置，所述定位装置包括编码器和微型全向轮，所述编码器固定在编码器连接座上，编码器的输出轴通过法兰与微型全向轮固定连接。

第二方面，本发明的实施例提供了一种香菇分级采摘方法，利用如上所述的一种香菇分级采摘装置，包括以下步骤：

首先从菌棒存放架的底端取菌棒，然后对成熟的香菇实体进行采摘，当菌棒上所有的香菇实体采摘完成之后，将菌棒放回到菌棒支撑架上，之后第一驱动电机开始旋转固定的圈数并通过皮带使得菌棒取放装置和香菇采摘装置提升固定的高度，从而对菌棒存放架上第二排的菌棒进行香菇实体的采摘，重复上述过程直到最顶端的菌棒采摘完成为止，完成一列菌棒的采摘；

接着第一驱动电机开始旋转固定的圈数并通过皮带使得取放菌棒装置和香菇采摘装置下落到最底层，然后移动底盘装置开始沿着X轴移动，移动到下一列菌棒的位置之后进行上述的操作；

一直重复上述的操作直到菌棒支撑架上的菌棒全部采摘完成后停止工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过设置菌棒取放装置，可以自动对放置在菌棒存放架上的菌棒进行取放，通过在菌棒取放装置上方设置香菇采摘装置，并在菌棒取放装置下方通过尼龙布风管连接香菇分级装置，从而实现香菇的自动采摘和分拣。

2、本发明利用三个软体手指进行香菇采摘，大大增加了与香菇的接触面积，能够适应形状和大小不一的香菇形态，且由于软体手爪具有柔软的特性，当与物体接触时能够提供一定的缓冲效果，减少对香菇的损伤和变形。

3、本发明所述移动底盘通过设置全向轮，具有多个方向自由移动的能力，可以在狭小空间内实现高度机动性和灵活性，同时设置有定位装置与激光测距模块，相对于视觉定位和GPS定位，在短距离移动时测量精度更高，响应速度也比较快，不依赖与环境的光照条件和视觉特征的可见性。

4、本发明通过设置香菇分级装置，避免了人工分级对香菇造成的二次损伤，同时该分级的方法是基于深度学习来判断香菇的种类，相对于人工分级来说该分级方法更加准确且不受主观因素的影响，有效提高了香菇分级效率。

5、本发明中的菌棒凹槽为半弧形，增加了菌棒与菌棒凹槽的接触面积，避免损伤菌棒，同时可以利用摩擦轮对菌棒进行翻转，提供了香菇的采摘效率。

6、本发明设置的升降装置可以实现香菇采摘装置与菌棒取放装置的高度调节，适用于层架式的香菇存放架，可以对香菇存放架上任意位置的菌棒进行存取，提高了装置的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例一中分级采摘装置结构示意图；

图2为本发明实施例一中升降支架结构示意图；

图3为本发明实施例一中菌棒取放装置结构示意图；

图4为本发明实施例一中菌棒取放装置俯视图；

图5为本发明实施例一中香菇采摘装置结构示意图；

图6为本发明实施例一中香菇分级装置结构示意图；

图7为本发明实施例一中移动底盘结构示意图；

图8为本发明实施例一中全向轮连接关系图；

图9为本发明实施例一中定位装置结构示意图；

图10为本发明实施例一中菌棒存放架结构示意图；

其中，1、移动底盘；101、底座框架；102、全向轮；103、连接轴；104、电机连接座；105、第四驱动电机；106、联轴压块；107、编码器；108、微型全向轮；109、编码器连接座；110、第四滑轨；111、第四滑块；112、连接片；113、限位柱；2、升降支架；201、第一驱动电机；202、绕线轴；203、皮带；204、电机编码器；205、第一激光测距模块；206、第二激光测距模块；3、菌棒取放装置；301、支撑横架；302、支撑竖架；303、升降滑块；304、压片；305、滑杆；306、第一滑块；307、第一滑轨；308、滑杆气缸；309、打印件；310、回转压紧气缸；311、转板；312、摩擦轮；313、杂质收纳盒；314、菌棒凹槽；315、放置口；316、推动气缸；317、推板；4、香菇采摘装置；401、第一支撑板；402、支撑侧架；403、第二滑轨；404、第二滑块；405、第一T型丝杆；406、第二驱动电机；407、第一法兰片；408、采摘连接片；409、微型气缸；410、手指连接片；411、软体手指；412、导向杆；413、深度相机；5、香菇分级装置；501、第二支撑板；502、支架；503、第三滑轨；504、第三滑块；505、第二T型丝杆；506、第三驱动电机；507、第二法兰片；508、管道连接板；509、尼龙布风管；510、收纳筐；601、菌棒存放架；602、菌棒支撑架；701、菌棒；702、菌棒实体。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式，如图1所示，一种香菇分级采摘装置，包括移动底盘1，所述移动底盘1上设置有升降支架2，所述升降支架2上滑动连接有菌棒取放装置3和香菇采摘装置4，所述香菇采摘装置4位于在菌棒取放装置3上方，所述香菇采摘装置4下方设置有香菇分级装置5，所述香菇分级装置5固定在移动底盘1上。

如图2所示，所述升降支架2为矩形框架结构，竖直固定在移动底盘1上，所述菌棒取放装置3能够沿升降支架1上下移动，所述升降支架1顶部两侧均设置有升降装置，所述升降装置包括第一驱动电机201，所述第一驱动电机201可采用RE35电机，所述第一驱动电机201通过电机座与升降支架2固定连接，所述第一驱动电机201的输出轴固定连接有绕线轴202，所述绕线轴202上设置有皮带203，所述皮带203一端通过顶丝固定在绕线轴202上，皮带203另一端固定在菌棒取放装置3上，当第一驱动电机201转动时，绕线轴202对皮带203进行缠绕，从而带动菌棒取放3装置沿升降支架2进行升降。所述第一驱动电机201上还设置有电机编码器204，利用电机编码器204检测第一驱动电机201的旋转速度与旋转圈数，从而精确控制菌棒取放装置3的升降位置。

所述升降支架2下方两侧还固定有第一激光测距模块205和第二激光测距模块206。

如图3和图4所示，所述菌棒取放装置3包括支撑架，所述支撑架为L形结构，包括支撑横架301和支撑竖架302，所述支撑横架301两侧与升降支架2对应位置处设置有升降滑块303，所述升降滑块303与升降支架2滑动连接，从而实现菌棒取放装置3沿升降支架2进行滑动，所述支撑横架301两侧还设置有压片304，通过所述压片304将皮带203远离绕线轴202的一端固定在支撑横架301上，从而利用皮带203带动菌棒取放装置3移动。

所述支撑横架301两侧上方设置有滑杆305，所述滑杆305为L形，滑杆305的底面靠近支撑竖架302一端设置有第一滑块306，所述第一滑块306与设置在支撑横架201两侧上表面的第一滑轨307滑动连接，从而使所述滑杆305能够沿支撑横架301长度方向滑动，所述滑杆305上方设置有滑杆气缸308，所述滑杆气缸308的一端固定在滑杆305上，另一端固定在支撑竖架302上，通过滑杆气缸308能够带动滑杆305移动。

所述滑杆305上还设置有打印件309，所述打印件309设置在滑杆305远离滑杆气缸308的一侧，所述打印件309上固定有回转压紧气缸310，所述回转压紧气缸310的输出轴上连接有转板311，所述回转压紧气缸310能够带动转板311转动。

所述支撑横架301远离支撑竖架302的一端设置有摩擦轮312，所述摩擦轮312设有两个，两个摩擦轮312对称设置在支撑横架301端部，所述摩擦轮312内置转动电机，通过转动电机可以使摩擦轮312的弧形外表面绕轴线旋转，两个摩擦轮312的下方设置有杂质收纳盒313，所述杂质收纳盒313固定在支撑横架301上。

所述支撑横架301中部设置有菌棒凹槽314，所述菌棒凹槽314用于放置菌棒701，所述菌棒凹槽314的截面为U形，其两侧焊接固定在支撑横架301上，所述菌棒凹槽314靠近支撑竖架302的一端底部开设有放置口315，所述放置口315通过尼龙布风管509与香菇分级装置5相连。

所述支撑竖架302上平行设置有两个推动气缸316，两个推动气缸316通过气缸座固定在支撑竖架302两侧，两个推动气缸316的伸缩轴端部通过推板317相连，所述推板317位于菌棒凹槽314的上方。

当取放菌棒701时，通过升降装置将菌棒取放装置3调整到合适高度，菌棒取放装置3两侧的滑杆气缸308带动滑杆305伸出，使两侧的转板311放置在菌棒701的后方，此时通过回转压紧气缸310带动转板311旋转，使转板311水平放置，然后两侧的滑杆气缸308气缸带动滑杆305收回，利用转板311将菌棒701拉到菌棒凹槽314的上面，之后两侧的回转压紧气缸310将转板311旋转成竖直状态，从而完成了取菌棒701的动作。当菌棒701在菌棒凹槽314完成采摘后，两个推动气缸316的伸缩杆伸出，利用推板317将推动菌棒701，使得菌棒701落到菌棒支撑架602上，从而完成放菌棒701的过程。

在香菇采摘过程中，摩擦轮312弧形外表面与菌棒701相接触，摩擦轮312的旋转可使得菌棒701的侧面朝上，这样就可以对侧面的香菇实体702进行采摘。另外，在香菇取放过程中，菌棒701上会有大量的杂质脱落，杂质收纳盒313可以自动的将脱落的杂质进行存储，避免杂质影响菌棒701正常取放。

如图5所示，所述香菇采摘装置4设置在菌棒取放装置3的正上方，用于摘取菌棒701上的香菇，所述香菇采摘装置4包括第一支撑板401，所述第一支撑板401的一端固定在支撑竖架302顶部，第一支撑板401的另一端通过支撑侧架402与支撑横架301固定连接，从而使第一支撑板401水平放置，所述第一支撑板401上表面设置有第二滑轨403，所述第二滑轨403上滑动连接有第二滑块404，所述第二滑块404的中部螺纹连接有第一T型丝杆405，所述第一T型丝杆405的两端通过轴承座固定在第一支撑板401上，所述第一T型丝杆405的一端通过联轴器连接有第二驱动电机406，所述第二驱动电机406通过第一法兰片407固定在第一支撑板401上，通过控制第二驱动电机406，从而带动第一T型丝杆405转动，使第二滑块404沿第二滑轨403的长度方向移动。

所述第二滑块404的上表面设置有采摘连接板408，所述采摘连接板4008远离第二滑块404的一端固定有微型气缸409，所述微型气缸409竖直固定在采摘连接板408上，所述微型气缸409的伸缩轴固定连接有手指连接片410，所述微型气缸409能够带动手指连接片410进行升降，所述手指连接片410上对称开设有多个安装槽，所述安装槽内通过螺钉固定有软体手指411，所述采摘连接板408上还固定连接有导向杆412，所述导向杆412的固定端固定在采摘连接板408上，导向杆412的伸缩端固定在手指连接片410上，通过导向杆412确保手指连接片410升降的稳定性。

所述第一支撑板401的下表面设置有深度相机413，所述深度相机412的摄像头正对菌棒凹槽314设置，所述深度相机413用于对放置在菌棒凹槽314内的菌棒701进行图像采集。

当进行采摘香菇时，首先通过深度相机413对放置在菌棒凹槽314内的菌棒701顶部的图像进行采集，并将采集到的图像传递给微型电脑，微型电脑对图像进行识别处理后可获得每个成熟香菇实体702的位置信息和种类，然后再将这些数据发送给单片机电路，单片机电路控制第二驱动电机406转动，从而移动手指连接片410的位置，当手指连接片410移动到香菇实体702正上方时，三个软体手指411开始充气并张开，接着微型气缸409开始伸出使得香菇实体702落在三个软体手指411的内部，然后三个软体手指411收缩将香菇实体702抓住，同时微型气缸409开始收缩，将香菇实体702从菌棒701上摘下，随后将香菇实体702带到放置口315上方，三个软体手指411张开香菇实体702落到放置口315内，从而完成香菇采摘过程。

如图6所示，所述香菇分级装置5位于菌棒取放装置3正下方，所述香菇分级装置5包括第二支撑板501，所述第二支撑板501通过支架502固定在移动底盘1上，所述第二支撑板501上表面设置有第三滑轨503，所述第三滑轨503上滑动连接有第三滑块504，所述第三滑块504的中部螺纹连接有第二T型丝杆505，所述第二T型丝杆505的两端通过轴承座固定在第二支撑板501上，所述第二T型丝杆505的一端通过联轴器连接有第三驱动电机506，所述第三驱动电机506通过第二法兰片507固定在第二支撑板501上，通过控制第三驱动电机506，从而带动第二T型丝杆505转动，使第三滑块504沿第三滑轨503的长度方向滑动。

所述第三滑块504的侧面固定连接有管道连接板508，所述管道连接板508与尼龙布风管509远离放置口315的一端相连，所述移动底座1上还放置有收纳筐510，所述收纳筐510设有三个，三个收纳筐510并排放置在移动底盘1上，所述尼龙布风管509的端部在香菇分级装置5的带动下在三个收纳筐510之间移动。

当进行香菇分级时，根据香菇采摘时获取的香菇图像，判断香菇实体702的种类，根据香菇实体702的种类控制第三驱动电机506转动，使得尼龙布风管509的底端在不同的香菇收纳筐510上面，香菇实体702将会从尼龙布风管509的底端输出之后落在不同的香菇收纳筐510里面，从而完成了一次香菇分级动作。

如图7-图9所示，所述移动底座1包括底座框架101与全向轮102，所述全向轮102设有四个，对称设置在底座框架101四角处，所述全向轮102通过连接轴103与电机连接座104固定连接，所述电机连接座104固定有第四驱动电机105，所述第四驱动电机105可采用大疆3508电机，所述第四驱动电机105的输出轴通过联轴压块106与连接轴103相连，从而通过第四驱动电机105带动全向轮102旋转，所述电机连接座104固定在底座框架101上。

所述移动底座1的中部设置有定位装置，所述定位装置包括编码器107和微型全向轮108，所述编码器107固定在编码器连接座109上，编码器107的输出轴通过法兰与微型全向轮108固定连接，所述编码器连接座109的一侧设置有第四滑轨110，所述第四滑轨110上滑动连接有第四滑块111，所述第四滑块111上设置有连接片112，所述定位装置通过连接片112固定在底座框架101上，所述第四滑轨110的顶部设置有限位柱113。

当需要进行移动时，移动底盘1可以接收单片机电路发来的数据信息，其中包括X轴和Y轴的位置坐标以及在X轴和Y轴上的运动速度，移动底盘1接收到数据后，移动底盘1上的处理器会实时的将目标位置和当前位置相比较，通过PID的控制方式输出四个第四驱动电机105的速度值，电机驱动器接收到处理器传来的四个第四驱动电机105的速度后将会控制四个第四驱动电机105的转动，第四驱动电机105的转动带动全向轮102的转动，通过四个全向轮102的转动和速度合成可以精确的控制移动底盘1到达目标位置。当前位置通过编码器107、第一激光测距模块205和第二激光测距206模块获取，移动底盘1在X轴上的移动将会带动微型全向轮108的转动，微型全向轮108的转动将会使得编码器107旋转，通过对编码器107传来的速度进行积分可以获得当前在X轴的位置，第一激光测距模块205和第二激光测距模块206可以将激光点照射到菌棒存放架601上，进而测得激光与菌棒存放架601的距离，通过对该距离的换算可以得到移动底盘1当前在Y轴的位置。

进一步的还可以通过第一激光测距模块205和第二激光测距模块206测得的距离解算出当前移动底盘1的航向角角度，解算方法如下：

假设第一激光测距模块205得到的距离是y1，第二激光测距模块206得到的距离是y2，第一激光测距模块205和第二激光测距模块206安装时的平行距离z,通过航向角角度公式yaw＝arctan(z/(y1-y2))获得。

上述的X轴是与菌棒支撑架602相平行的轴，Y轴是与菌棒支撑架602相垂直的轴。

实施例二

本实施例公开了一种香菇分级采摘方法，利用如实施例一所述的一种香菇分级采摘装置，包括以下步骤：

首先从菌棒存放架的底端取菌棒，然后对成熟的香菇实体进行采摘，当菌棒上所有的香菇实体采摘完成之后，将菌棒放回到菌棒支撑架上，之后第一驱动电机开始旋转固定的圈数并通过皮带使得菌棒取放装置和香菇采摘装置提升固定的高度，从而对菌棒存放架上第二排的菌棒进行香菇实体的采摘，重复上述过程直到最顶端的菌棒采摘完成为止，完成一列菌棒的采摘；

接着第一驱动电机开始旋转固定的圈数并通过皮带使得取放菌棒装置和香菇采摘装置下落到最底层，然后移动底盘装置开始沿着X轴移动，移动到下一列菌棒的位置之后进行上述的操作；

一直重复上述的操作直到菌棒支撑架上的菌棒全部采摘完成后停止工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。